[發明專利]一種多用戶對端到端中繼系統的安全預編碼方法

有效

• 申請號: 201611241689.2
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106788643B
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發明（設計）人: 蔡躍明;曹闊;楊煒偉;楊文東;吳丹
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04L25/02;H04L25/03
• 代理公司: 11467 北京德崇智捷知識產權代理有限公司
• 代理人: 衛麟

多用戶對端到端中繼系統用于物理層安全的預編碼設計方法，中繼節點利用信道之間的差異性，通過預編碼信號處理技術在相應的目的節點處消除多用戶干擾，又同時在竊聽節點方向進行迫零處理，實現信息安全傳輸。一方面，本方法消除了多用戶干擾和防止信息泄露，降低了目的節點接收機的檢測復雜度并且保證了信息的安全傳輸。另一方面，本方法將主要復雜度集中在固定設施中繼上，簡化了對移動用戶的硬件要求，并且本方法只涉及到中繼節點對接收信號做簡單的加法和乘法操作，硬件實現簡單，實用性更強。

技術領域

本發明涉及一種改善物理層安全的預編碼設計方法，尤其涉及一種針對多用戶對端到端中繼系統里中繼節點的預編碼處理方法，該方法可在消除多用戶間干擾的同時，防止信息泄露。

背景技術

無線通信的廣泛運用，雖然給人民生活帶來了巨大便利，但是無線通信的廣播特性和無線媒質的開放性，導致信息安全威脅日益凸顯嚴重，特別是電子商務等領域，這使得信息安全問題日益受到廣泛關注。傳統上解決這一安全問題的方法是在物理層以上的高層中采取加密密鑰體制，通過對合法用戶進行密鑰分發實現身份認證和安全通信。然而，隨著用戶數目驟增，密鑰分發的復雜度和密鑰長度成為加密機制亟待解決的兩大挑戰。基于信息論，物理層安全技術為通信安全開辟了新的途徑。因此，結合現有加密機制，物理層安全技術能為通信安全提供更加堅實的安全保障。

物理層安全的主要思想是利用信道差異性，通過各種信號處理技術來增大主鏈路(源節點和目的節點間信道)的信道容量，并同時盡可能惡化竊聽鏈路(源節點和竊聽節點間信道)的信道容量。A.D.Wyner在“The wire-tap channel.Bell Syst.Tech.J.,Jan.1975,pp.1355-1387.”一文中表明：只要主鏈路的信道容量大于竊聽鏈路的信道容量，就可以實現信息的安全傳輸。因此，物理層安全的研究為信息安全傳輸提供了新的途徑。多天線技術通過引入多維信號處理，既能克服單天線系統中當竊聽信道質量優于主信道時，安全容量為零的局限，又可以成倍地提升系統的傳輸速率。因此，多天線技術在改善物理層安全、保證信息安全傳輸上發揮著重要作用。多天線技術中多維信號處理方式主要包括線性預編碼技術和人工加噪技術兩種。線性預編碼技術主要通過對發射信號進行線性變化處理，以達到增強目的節點接收、減少泄露給竊聽節點的信息量，從而擴大主鏈路與竊聽鏈路之間的信道容量差值。除此之外，人工加噪技術也是多天線技術改善物理層安全的重要手段之一。在不影響目的節點正常接收信號的條件下，通過在主鏈路的零空間內添加人工噪聲以達到惡化竊聽節點接收性能，從而實現提高物理層安全性能的目的。

中繼系統不僅具有克服遠距離通信等優勢，而且中繼節點通過運用預編碼技術也可以取得物理層安全改善的收益。由于中繼系統將信號預編碼處理集中在中繼節點上實現，極大地簡化了對源節點和目的節點收發機的硬件配置要求。因此，關于中繼系統預編碼技術的研究日益受到廣泛研究。特別是，多用戶對中繼通信系統(Multiuser Peer-to-PeerRelay Network)中的預編碼設計問題：如何設計高效的預編碼方案既能夠同時支持多組用戶對多路數據流并行傳輸，又能夠有效地解決多用戶之間相互干擾問題和信息安全傳輸問題。針對這一安全預編碼設計問題，X.Gong等人在“Secure communication design formulti-user peer-to-peer wireless relay networks.IET Commun.Jan.2016,pp.770-777.”一文中從以下思路進行解決：在保證合法用戶對安全通信的前提下，最大化多用戶對中的最小安全傳輸速率，從而將安全預編碼問題轉化為以“最小安全傳輸速率”為優化目標的半正定規劃問題，并采用內點法進行有效求解。然而，這種求解方式僅僅能夠得到一個近似的次優解，且運算過程極為繁瑣。而且，這一解決方式，需要聯合檢測所有源節點發送的源信息才能夠確定源節點所發送的私密信息，目的節點的信號檢測復雜度大，而且無法有效地抑制多用戶干擾對目的節點的影響。